Die Rauheit von Gleitflächen, beispielsweise in künstlichen Gelenken, beeinflusst wesentlich den darin erzeugten Abrieb. Bei Dental- und Orthopädieimplantaten ist die Mikrostruktur entscheidend für das Anwachsverhalten und somit für die Verankerung im Knochen.
Um die Oberflächenstruktur und Rauheit von Produkten aller Art exakt zu messen, verwenden wir in der RMS Foundation ein modernes, optisches Rauheitsmessgerät: das S neox von Sensofar. Dies ist ein vielseitiges Kombigerät, welches Interferometrie (sowohl Phasenverschiebungs- als auch Weisslichtinterferometrie), Konfokalmikroskopie und Fokusvariation ermöglicht. Mit der Interferometrie können in Kombination mit dem Piezoantrieb für die Höhenverstellung und einem aktiven Schwingungsdämpfungstisch höchste z-Auflösungen im Subnanometerbereich erzielt werden. Mit der Konfokalmikroskopie können selbst sehr raue Proben analysiert werden, und mittels Fokusvariation kann schnell und einfach die Form einer rauen Probe analysiert werden, so z. B. die Gewindeform eines Dentalimplantats. Dank der aussergewöhnlich hohen Säule für den Messkopf können auch sehr grosse Proben untersucht werden.
Sollte die laterale Auflösung, die mit optischen Systemen erzielt werden kann, nicht genügen, so kann die Topographie mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) bestimmt werden. Dabei werden Bilder mit zwei verschiedenen Aufsichtswinkeln aufgenommen und daraus die Topographie semiquantitativ bestimmt. Dadurch können laterale Auflösungen bis in den tiefen Nanometer-Bereich erreicht werden.
Abbildung 1: Topographie eines Polymerimplantats: zerkratztes Explantat mit Drittkörperverschleiss.
Neben den Flächenrauheitswerten können auch die gängigeren Profilrauheitswerte bestimmt werden. Dies, indem mehrere Profile aus der gemessenen Topographie extrahiert und die Filter auf die einzelnen Profile angewandt werden. Typischerweise wird bei der optischen Messung durch ein Zusammenfügen von mehreren Messfeldern der Messbereich so weit vergrössert, dass die Rauheitswerte gemäss der ISO Norm 21920-3 bestimmt werden können, dies von hochglanzpolierten bis zu sehr rauen Proben.
Das S neox wird sowohl für Kundenaufträge als auch für Forschungsprojekte verwendet. Beispielsweise wurde ein künstliches Gelenk untersucht, welches in vivo durch Drittkörperverschleiss beschädigt worden war. Dabei waren Metallpartikel von einer Beschichtung in die Keramik-Kunststoff-Artikulation gelangt und zerkratzten das weichere Polyethylen (Bild 1). Auf der härteren Keramikoberfläche kam es hingegen zu Ablagerungen, welche durch die erhöhte Rauheit zu mehr Verschleiss des Polyethylens führen dürften (Bild 2). Mittels Weisslichtinterferometrie konnten die Veränderungen auf der Oberfläche aufgezeigt und vermessen werden.
Abbildung 2: Topographie eines Keramikimplantats: Explantat mit Metallablagerungen.
Optische Rauheitsmessung
Gerät
S neox von Sensofar (Spanien)
Messmodi
• Interferometrie (Phasenverschiebungs- und Weisslichtinterferometrie)
• Konfokalmikroskopie
• Fokusvariation
Auflösung
vertikal: 0.1 nm mit Phasenverschiebungsinterferometrie
lateral: 0.2 µm (100X Objektiv)
Probenanforderungen
Feste Proben
Dimension < 60 x 60 x 60 cm
Gewicht < 10 kg
Reflektivität 0.05 % bis 100 %
Höhenunterschied < 40 mm
laterale Bewegung < 114 x 75 mm
Normenbezug
Profile: ISO 21920-1, -2 & -3
Flächen: ISO 25178-1, -2 & -3
